長(zhǎng)江口南匯嘴潮灘圍墾工程潮流數(shù)學(xué)模型研究

左書華，李蓓，張征，黃玉新，許婷

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

長(zhǎng)江口南匯嘴潮灘圍墾工程潮流數(shù)學(xué)模型研究

左書華1，2，李蓓1，2，張征1，2，黃玉新1，2，許婷1，2

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

為探討圍墾工程建設(shè)前后南匯嘴海域水動(dòng)力變化，采用數(shù)學(xué)模型的方法，建立了長(zhǎng)江口—杭州灣的二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬了南匯嘴潮灘促淤圈圍前后水流動(dòng)力變化情況。結(jié)果表明：圍墾工程實(shí)施后，沒有改變長(zhǎng)江口、杭州灣及其附近海域大范圍的流場(chǎng)特征，其影響范圍主要集中在工程附近海域，受導(dǎo)堤影響，漲、落潮分流嘴位置明顯有所外移；工程的實(shí)施使長(zhǎng)江口南槽過(guò)水?dāng)嗝嬗兴s窄，漲、落潮流速均增加；受到促淤堤的阻水影響，促淤堤拐角東側(cè)，漲、落流速都是減小的；杭州灣北岸蘆潮港附近水域，工程后流速都是增加的。工程的實(shí)施會(huì)使南槽和蘆潮港附近水域地形有所沖刷，而促淤堤?hào)|側(cè)有所淤積。

長(zhǎng)江口；南匯嘴；潮灘；潮流；數(shù)學(xué)模型

0 引言

南匯嘴潮灘地處長(zhǎng)江河口最大渾濁帶，水體含沙量很高，又屬長(zhǎng)江口與杭州灣交匯的緩流區(qū)，泥沙容易落淤，長(zhǎng)期以來(lái)屬于長(zhǎng)江河口淤漲速度最快的岸灘，對(duì)上海的灘涂土地資源開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖及其港口開發(fā)與建設(shè)起著十分重要的作用。為了開發(fā)這塊寶貴的資源，多年來(lái)許多研究者或單位對(duì)南匯邊灘的動(dòng)力過(guò)程、剖面塑造機(jī)制、演變規(guī)律以及泥沙交換進(jìn)行過(guò)探討和分析[1-10]，為今后的研究工作提供了良好的基礎(chǔ)。

近幾十年來(lái)，受圍灘造地、建堤護(hù)岸等一系列人類活動(dòng)的影響，使南匯嘴潮灘的水動(dòng)力和泥沙運(yùn)移發(fā)生了變化，從而影響到了潮灘的地形發(fā)生變化[1，3，5，7]。

建立長(zhǎng)江口—杭州灣大范圍潮流數(shù)學(xué)模型，在實(shí)測(cè)水文資料的驗(yàn)證基礎(chǔ)上，深入探討圍墾工程建設(shè)前后南匯嘴海域水動(dòng)力變化以及對(duì)周圍海域影響，為長(zhǎng)江口灘涂資源的開發(fā)利用和港口航道建設(shè)提供基本依據(jù)。

1 南匯嘴潮灘水沙特征

南匯嘴海域處在長(zhǎng)江河口與杭州灣口交匯區(qū)，屬于中等強(qiáng)度的潮汐區(qū)域，因受地形影響，潮波變形明顯，為非正規(guī)半日潮，中浚站多年平均潮差分別為2.67 m；在歷時(shí)上，均是落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)[1-2]。

潮流是塑造岸灘的主要?jiǎng)恿σ蛩刂唬鶕?jù)實(shí)測(cè)水文資料分析[1-2]，該海域潮流運(yùn)動(dòng)形式主要呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)，漲落潮流都較強(qiáng)，垂線最大流速在2.00 m/s以上，大潮漲、落潮垂線平均流速約為1.00 m/s，小潮漲、落潮垂線平均流速約為0.70 m/s。南匯嘴潮灘位于東西向潮流和西北東南向潮流的落潮合流范圍內(nèi)，屬于長(zhǎng)江口與杭州灣交匯的緩流區(qū)，泥沙容易落淤，這是南匯邊灘淤漲的有利動(dòng)力條件。

根據(jù)長(zhǎng)江口引水船多年的波浪資料統(tǒng)計(jì)[11]，南匯嘴潮灘的波浪以風(fēng)浪為主，約占80%，平均以E浪向?yàn)樽疃?，頻率為14%，ENE、ESE浪向居次，頻率分別為11%、9.8%，平均波高在1.0 m左右，一般大風(fēng)引起的最大波高均在3.3 m左右，臺(tái)風(fēng)期目測(cè)最大波高達(dá)6.2 m。

南匯嘴潮灘由于地處長(zhǎng)江河口最大渾濁帶區(qū)域，實(shí)測(cè)水體含沙量較高，垂線平均含沙量在1.0 kg/m3左右，其中漲潮平均含沙量可在1.0 kg/m3以上，落潮平均含沙量都在1.0 kg/m3以下，說(shuō)明目前南匯邊灘仍呈較高含沙量水體進(jìn)灘，低含沙量水體下灘，有部分泥沙在淺灘上落淤沉積，也正表明岸灘快速淤漲具備了充足泥沙條件。同時(shí)，淺灘區(qū)表現(xiàn)為漲潮優(yōu)勢(shì)輸沙，而鄰近河槽呈落潮優(yōu)勢(shì)輸沙，這樣在一個(gè)全潮過(guò)程中，河槽出沙，灘地進(jìn)沙，在平面上存在順時(shí)針輸沙環(huán)流過(guò)程，潮下帶泥沙向海運(yùn)動(dòng)，潮間帶泥沙向陸運(yùn)動(dòng)，促使潮灘不斷淤漲。

2 潮流數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

連續(xù)方程：

式中：x、y為水平坐標(biāo)軸；u、v分別為x、y軸向流速；t為時(shí)間變量；g為重力加速度；h為水深；α0為灘面高程；ρ為水流密度；f為柯氏力參數(shù)（f=2ωsin φ，ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）；εxx、εxy、εyy為紊動(dòng)黏滯系數(shù)；c為謝才系數(shù)，c= h1/6/n，n為糙率系數(shù)。

2.2 定解條件

1）邊界條件

數(shù)學(xué)模型通常使用開邊界（水邊）和閉邊界（岸邊）兩種邊界條件。外海開邊界，采用潮位過(guò)程進(jìn)行控制，潮位值由潮汐預(yù)測(cè)模型Chinatide[12]計(jì)算給出。

對(duì)于長(zhǎng)江上游邊界則采取實(shí)測(cè)平均流量控制。

對(duì)于閉邊界則根據(jù)不可入原理，取法向流速為0，即：

對(duì)于頻繁淹沒和露出的潮灘，采用干濕判別的動(dòng)邊界處理技術(shù)進(jìn)行處理，即當(dāng)某點(diǎn)水深小于一淺水深εdry（如0.1 m）時(shí)，令該處流速為零，灘地干出，當(dāng)該處水深大于εflood（如0.2 m）時(shí)，參與計(jì)算，潮水上灘。

2）初始條件

計(jì)算開始時(shí)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的水位、流速值就是計(jì)算的初始條件，即：

一般情況下，模型初始潮位取平均潮位，初始流速取零。初始條件產(chǎn)生的誤差，在計(jì)算過(guò)程中會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸消失。

2.3 計(jì)算范圍及有關(guān)參數(shù)

本模型計(jì)算范圍東至123°20′E，北起江蘇呂四港，南至浙江石浦，長(zhǎng)江口西起天生港，杭州灣上至杭州附近，南北長(zhǎng)約330 km，東西寬約160 km，如圖1。

圖1 模型計(jì)算范圍及驗(yàn)證點(diǎn)分布Fig.1The calculated region and the positions of hydrologic stations

計(jì)算海域的糙率是個(gè)綜合影響因素，是數(shù)值計(jì)算中十分重要的參數(shù)，經(jīng)調(diào)試，根據(jù)各海域的不同特點(diǎn)，糙率n取值為0.009～0.018。模型采用的時(shí)間步長(zhǎng)Δt=10 min。

渦黏系數(shù)，根據(jù)Smagorinsky公式確定。

式中：U、V分別為x、y方向垂線平均流速；Δ為網(wǎng)格間距；Cs為計(jì)算參數(shù)，一般選0.25

2.4模型的驗(yàn)證

模型驗(yàn)證資料采用2003年9月中旬大潮潮位、潮流資料進(jìn)行驗(yàn)證。水文測(cè)點(diǎn)位置示意圖見圖1，潮位和潮流驗(yàn)證結(jié)果見圖2、圖3。由圖可以看出潮位、潮流的模擬過(guò)程與實(shí)測(cè)資料所反映的過(guò)程基本一致，符合良好（限于篇幅，選取了代表測(cè)站）。表明數(shù)學(xué)模型較好地模擬了南匯嘴一帶復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)情況，這從另一個(gè)角度反映了本文建立的數(shù)學(xué)模型流場(chǎng)數(shù)值模擬的合理性，可用于南匯嘴潮灘附近海域相關(guān)問(wèn)題的研究與討論。

圖2 蘆潮港潮位站潮位驗(yàn)證圖Fig.2Verification of the tidal level on tidal station of Luchao Port

圖3 工程區(qū)附近海域（N13）潮流流速、流向驗(yàn)證圖Fig.3Verification of flow velocity and direction on the waters around the project area（N13）

3 結(jié)果與分析

本文數(shù)學(xué)模型研究主要通過(guò)流場(chǎng)在工程前后的變化分析，為此擬定2個(gè)計(jì)算方案：

1）圍墾工程前，以2006年底岸線作為現(xiàn)狀邊界；

2）圍墾工程后，以南匯嘴圍墾工程規(guī)劃方案線作為工程后邊界。

3.1 漲、落急流態(tài)分析

圖4為工程前漲、落急流場(chǎng)圖。由圖可以看出，漲潮時(shí)，來(lái)自東海的漲潮流流向近海時(shí)，受水下地形的影響，潮波發(fā)生變形，到達(dá)南匯淺灘后又受陸域邊界的影響，產(chǎn)生南、北兩支分流，分流點(diǎn)在石皮勒一帶，其中北支漲潮流進(jìn)入長(zhǎng)江口，南支漲潮流則進(jìn)入杭州灣；進(jìn)入杭州灣北岸的漲潮流主流向?yàn)槲飨?，逐漸從西向西南方向運(yùn)動(dòng)。落潮時(shí)，杭州灣北岸落潮流基本上與漲潮流相反，在灣內(nèi)主流向?yàn)闁|向，沿岸落潮流基本上與岸線平行，在人工半島一側(cè)附近，與長(zhǎng)江口南岸的落潮流匯合，向東南方向的外海流去。

南匯嘴潮灘圍墾工程實(shí)施后沒有改變長(zhǎng)江口、杭州灣及其附近海域大范圍的流場(chǎng)特征，其影響范圍主要集中在工程附近海域（圖5）。由于圍堤外延，受導(dǎo)堤影響，漲、落潮分流嘴位置明顯有所外移。分流嘴北側(cè)區(qū)域，近岸的流速大小和方向變幅都較大；分流嘴以南的區(qū)域，由于受導(dǎo)堤影響，局部流速略有增加。

圖4 工程前現(xiàn)狀下南匯嘴潮灘海域局部漲、落急流場(chǎng)Fig.4Maximum flood and ebb field of Nanhuizui tidal flat before project

圖5 工程后南匯嘴潮灘海域局部漲、落急流場(chǎng)Fig.5Maximum flood and ebb field of Nanhuizui tidal flat after project

3.2 漲、落平均流速變化分析

圖6工程前后平均流速比值變化線Fig.6Isomer changes of the averaged velocity before and after the project

圖6 是工程前后工程區(qū)域漲、落潮時(shí)平均流速比值變化圖。圍墾工程方案實(shí)施后，工程區(qū)域漲、落潮時(shí)平均流速有所變化；工程的實(shí)施使長(zhǎng)江口南槽過(guò)水?dāng)嗝嬗兴s窄，漲、落潮流速均增加1%～9%，呈中間幅度大四周幅度小的趨勢(shì)；促淤堤拐角東側(cè)，漲、落流速與工程前相比都是減小的，減小幅度在5%左右，最大在10%以上，說(shuō)明促淤堤有一定的阻水影響；杭州灣北岸蘆潮港附近水域，工程后流速都增加1%～9%，說(shuō)明漲潮時(shí)從東海來(lái)的潮水進(jìn)入杭州灣將略有增加，而落潮時(shí)落潮水流有一定的擠壓，而使流速有所增加。這樣的流速變化趨勢(shì)會(huì)使南槽和蘆潮港附近水域地形有所沖刷，而促淤堤?hào)|側(cè)有所淤積。

4 結(jié)語(yǔ)

1）南匯嘴海域處在長(zhǎng)江河口與杭州灣口交匯區(qū)，屬于中等強(qiáng)度的潮汐區(qū)域，中浚站多年平均潮差分別為2.67 m。潮流是塑造岸灘的主要?jiǎng)恿σ蛩刂?。南匯嘴潮灘由于地處長(zhǎng)江河口最大渾濁帶區(qū)域，又屬長(zhǎng)江口與杭州灣交匯的緩流區(qū)，水體含沙量較高，泥沙容易落淤，是長(zhǎng)江河口淤漲速度最快的岸灘。

2）采用二維潮流數(shù)學(xué)模型的方法，對(duì)南匯嘴潮灘圍墾工程實(shí)施前后流場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究。圍墾工程實(shí)施后，沒有改變長(zhǎng)江口、杭州灣及其附近海域大范圍的流場(chǎng)特征，其影響范圍主要集中在工程附近海域。由于圍堤外延，岸線外推后，受導(dǎo)堤影響，漲、落潮分流嘴位置明顯有所外移。

3）工程的實(shí)施使長(zhǎng)江口南槽過(guò)水?dāng)嗝嬗兴s窄，漲、落潮流速均增加；受到促淤堤的阻水影響；促淤堤拐角東側(cè)，漲、落流速都是減小的；杭州灣北岸蘆潮港附近水域，工程后流速都是增加的。工程的實(shí)施會(huì)使南槽和蘆潮港附近水域地形有所沖刷，而促淤堤?hào)|側(cè)有所淤積。

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Tidal flow mathematical model of the reclamation project at Nanhuizui tidal flat of Yangtze River

ZUO Shu-hua1,2,LI Bei1,2,ZHANG Zheng1,2,HUANG Yu-xin1,2,XU Ting1,2
（1.National Engineering Laboratory of Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China;2.Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport,Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

In order to discuss the hydrodynamic change before and after the reclamation project,we established a 2-D tidal flow mathematical model of Yangtze Estuary to Hangzhou Bay to predict the change and discuss the influence of the project on the water area around.The results show that after reclamation project implementation,the flow field characteristics of the Yangtze Estuary and the Hangzhou Bay are not changed and the influenced region focus on the waters around project scope. The position of the split-flow mouth is moved outward obviously by the embankment.In the south channel of Yangtze Estuary, the flood and ebb velocity are all increased due to the narrowed section by the project.Because the embankment blocks the flow,the flood and ebb velocity are all decreased at the east of the embankment.However,the current velocity in the north of Hangzhou Bay is increased slightly.It is found that after the reclamation project,the seabed is scoured in the south channel and Luchao Port,while the seabed is silted in the east of embankment.

Yangtze Estuary;Nanhuizui;tidal flat;tidal flow;mathematical model

U617.3；P751

A

2095-7874（2017）07-0001-05

10.7640/zggwjs201707001

2016-09-27

2017-03-21

上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目（15DZ1202300）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(TKS150207，TKS150210）

左書華（1979—），男，河北邱縣人，博士，副研究員，主要從事河口海岸動(dòng)力地貌及數(shù)值模擬研究。E-mail：zsh0301@163.com